無線傳感網(wǎng)絡中的跨層傳輸優(yōu)化策略探析

趙立新

摘要：無限傳感器在當今環(huán)境和軍事監(jiān)測上有很重要的作用，但是針對當下我國無線傳感網(wǎng)絡利用率不高的實際情況，文章主要以此為切入點，提出相應的跨層傳輸優(yōu)化策略，旨在提高傳輸效率，促進信息網(wǎng)絡的整體平衡發(fā)展。

關鍵詞：無線傳感器；跨層傳輸；優(yōu)化策略

近年來，無限傳感器為了不斷地適應服務質(zhì)量的一系列新的要求，開始采用跨層傳輸?shù)脑O計思想?？鐚觽鬏斔枷氲娜谌胧沟脗鹘y(tǒng)的各個獨立層面的界限開始變得模糊起來，各個子層的網(wǎng)絡信息互相交流的參數(shù)通過共享，不斷優(yōu)化網(wǎng)絡中的整體傳輸性能。雖然跨層優(yōu)化對各子層之間的聯(lián)系起到了一定的作用，但是隨著跨層優(yōu)化的深入，其結(jié)構(gòu)和規(guī)律也在不斷消失，從而使網(wǎng)絡動態(tài)不斷優(yōu)化的發(fā)展情況下，無線傳感網(wǎng)絡中的整體優(yōu)化設計問題也在不斷復雜化。因此，本文基于無限傳感網(wǎng)絡中跨層優(yōu)化出現(xiàn)的問題提出相應的應用需求，進而不斷優(yōu)化網(wǎng)絡改進，以此來穩(wěn)定網(wǎng)絡的傳輸適應性。

1 無線傳感網(wǎng)絡的概述

無線傳感網(wǎng)絡是指由分布和合理部署在區(qū)域的傳感器組合而成的，通過對無線通信技術的利用，對監(jiān)測區(qū)域感知到的對象進行信息的感知、采集和處理，并將這些信息進行綜合整理分析后傳送給網(wǎng)絡運營的所有者。其主要特征有以下幾點。

1.1 規(guī)模大

由于在監(jiān)測區(qū)域部署的傳感器眾多，需要獲取的網(wǎng)絡信息量大，例如在發(fā)達城市區(qū)域采用傳感器網(wǎng)絡進行地震監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測時，需要大量的傳感器節(jié)點做支撐；另一方面，傳感器節(jié)點在城市區(qū)域的布局很是密集，如此一來，也就是說在面積較小的空間，緊密部署的大量傳感器節(jié)點而獲取的數(shù)據(jù)只能通過傳感器自行分析。這是因為傳感器節(jié)點通過不同空間和角度而獲得的信息具有更大的信價比；能夠?qū)ΡO(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行整理和分析，同時又保證了精確度；但是由于存在的傳感器節(jié)點眾多，容易導致系統(tǒng)數(shù)據(jù)出錯，并形成盲區(qū)，不利于數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 動態(tài)形式多樣

當受到環(huán)境或者是低點消耗的影響，傳感器節(jié)點極有可能出現(xiàn)故障或者是失效；不同的環(huán)境變化對無線傳感通信的變化也有一定的影響，時而出現(xiàn)斷路，時而通暢。另外，傳感器節(jié)點監(jiān)視的對象和觀察者都有可能變化，因此傳感器網(wǎng)絡必須不斷適應各種變化，以此來保證動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 以數(shù)據(jù)為核心，可靠性強

無線傳感網(wǎng)絡的跨層傳輸和分層傳輸都是以計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)為基礎的。在互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)展無線傳感網(wǎng)絡，必須統(tǒng)一用專屬的IP地址標識，基于IP為中心，也就是以地址為中心。

2 跨層優(yōu)化思想的概述

通過不同層次之間的信息交互進行系統(tǒng)性的整體優(yōu)化是跨層優(yōu)化的核心思想，使網(wǎng)絡能夠不斷符合各個業(yè)務的要求，從而讓相鄰的層次之間的信息能夠有效地交互。其中傳統(tǒng)分層的設計各層之間相互獨立、結(jié)構(gòu)之間上下分開，具備較高的靈活性和易維護的特點[1]。但是在分層功能當中，很有可能出現(xiàn)不同層次重復的現(xiàn)象，對于只需要經(jīng)過5層的過程，卻經(jīng)過了若干層，既浪費了資源，又增加了成本。而跨層優(yōu)化的思想打破了傳統(tǒng)常規(guī)，從整體出發(fā)，利用跨層設計技術，將原來紛繁復雜的多層或者是若干層只需要利用5層就可以完成操作，實時交互各個層次的信息，確保系統(tǒng)各個具體的需求進而自適應調(diào)整，有針對性地設計所需要的層，各子層對主層或者是其他子層的變化作出相應的反應，并作出合理的策略和響應，如圖1所示。

3 無線傳輸網(wǎng)絡中跨層傳輸優(yōu)化的必然性

無線傳感器網(wǎng)絡中各個層次的性能并不是相互獨立的，如果將單個層的性能優(yōu)化成方案的終極解決方案，不受應用限制，則不利于合理利用網(wǎng)絡資源。因此，加強對無線傳輸網(wǎng)絡中跨層傳輸?shù)膬?yōu)化，對整個網(wǎng)絡中的信息流通和資源利用具有十分重要的意義。

以數(shù)據(jù)為中心的無線傳感網(wǎng)絡，利用感知收集和傳輸數(shù)據(jù)是其主要目標之一。不同的應用背景對無線傳感網(wǎng)絡的應用要求也不相同，具體到點和層上的傳感網(wǎng)絡應用只有更加高效簡潔才能達到最優(yōu)化的目的。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡應用復雜，變化多樣，而傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)各個層相互制約和分離，其中包括物理層、鏈路層以及網(wǎng)絡層等等，無法充分利用各個層和點的資源實現(xiàn)高效網(wǎng)絡運營，因此必須不斷引入跨層傳輸優(yōu)化的思想[2]。

（3）整個無線傳感網(wǎng)絡的安全與各層的安全息息相關，是由各個層的安全總體決定的。因此，要想維護總體的安全，不能將所有的層都規(guī)范整理到一起，也不能將認為所有的層次都能達到最佳效果，這在一定程度上是不可能達到的。要想各個突破，組合并優(yōu)化各個設計層，在層與層之間盡可能地預留安全銜接口，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡的整體安全。

4 無線傳感網(wǎng)絡的跨層傳輸優(yōu)化策略研究

運用在無線傳感網(wǎng)絡中的跨層傳輸優(yōu)化主要包括問題分析和問題分解，以及數(shù)學建模。通過對理論和算法的優(yōu)化確立是對問題分析和求解的優(yōu)化；充分利用數(shù)學工具對各網(wǎng)絡建模是數(shù)學建模。物理層主要對接收方發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收并識別；數(shù)據(jù)鏈路層主要是利用自動請求機制、糾錯編碼機制等適當?shù)恼{(diào)整和發(fā)送數(shù)據(jù)功率；向其他層無時無刻的而提供信息服務的是傳輸層，主要是面向通信最高層；網(wǎng)絡層主要是最大化地提供數(shù)據(jù)而不是服務質(zhì)量[3]。各個不同的層對應的交互信息和接口不相同，因此其優(yōu)化目標不同。

4.1 應用層的優(yōu)化目標

4.2 傳輸層的優(yōu)化目標

傳輸層是整個運輸過程中至關重要的一層，總體負責數(shù)據(jù)的傳輸和控制。在整個無線傳感網(wǎng)絡中處于核心地位，既是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡邔?，又是面向其他層的中間層。因此，傳輸層在為無線傳感網(wǎng)絡提供服務的過程當中，應該將傳輸?shù)刂诽峁┙o高層用戶的信息端口，使得高層資源得以共享和互通，從而使得傳輸層的管道運輸更加優(yōu)化，對流量控制和差錯控制實現(xiàn)端到端的統(tǒng)一連接，提高傳輸效率和工作機制[7]。

4.3 網(wǎng)絡層的優(yōu)化目標

網(wǎng)絡層主要是靠數(shù)據(jù)鏈路層的相鄰端點之間的數(shù)據(jù)傳送到功能至上，對無線傳感網(wǎng)絡的通信數(shù)據(jù)進行進一步管理，通過專門的管道將數(shù)據(jù)設計傳送到不同個節(jié)點上，它的主要內(nèi)容包括路由選擇算法、綜合業(yè)務法等。

4.4 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的優(yōu)化目標

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是傳輸數(shù)據(jù)當中最常見的，將這兩者結(jié)合一起進行聯(lián)合優(yōu)化，一直對外形成一個不可攻破的“超級層”，不斷在不同的層間增加合理的新接口，對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層實施聯(lián)合的推動優(yōu)化，一方面可以大大省去兩層間的設置參數(shù)，另一方面仍然保持這物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的獨立，有利于跨層傳輸?shù)膶崿F(xiàn)和維護。

5 結(jié)語

基于傳統(tǒng)分層傳輸?shù)姆椒ú荒芨鶕?jù)網(wǎng)絡各層的狀態(tài)變化而達到自適應的目的，本文提出采用跨層思想對傳輸進行優(yōu)化，通過在各個網(wǎng)絡階層中交互信息與傳輸，建立健全信息交流機制，并在充分利用計算機自律的條件下，根據(jù)網(wǎng)絡的實時情況做出調(diào)節(jié)，有利于實現(xiàn)無限傳感網(wǎng)絡中的具體優(yōu)化和傳輸優(yōu)化，對于提升網(wǎng)絡性能和優(yōu)化資源具有十分重要的意義。

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